Основы термодинамики.

1. ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ МОЛЕКУЛ. ТЕМПЕРАТУРА.

Беспорядочное и непрерывное движение частиц вещества называется тепловым движением.

Температура-это физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы тел. t-температура по шкале Цельсия [1⁰C], Т-температура по шкале Кельвина [1K]. T=t⁰C+273,15⁰C.

2. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ. СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ.

Внутренней энергией U тела называется сумма кинетической энергии K теплового движения всех частиц тела и потенциальной энергии П их взаимодействия. U=К+П [U]=1Дж.

Внутреннюю энергию можно изменить при совершении механической работы или при теплопередаче.

Теплопередача – процесс изменения внутренней энергии без совершения работы самим телом.

3. ВИДЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ.

Существует три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.

Процесс переноса тепла от более нагретых тел или участков тел к менее нагретым через взаимодействие частиц при их тепловом движении без переноса самого вещества называется теплопроводностью.

К хорошим проводникам тепла относятся все металлы, особенно медь и серебро.

Теплопроводность жидкостей невелика. Плохой теплопроводностью обладают газы, поэтому тела, содержащие много воздуха, являются хорошими теплоизоляторами. (Пух, мех, вата, снег, листья, пористый кирпич и т.д.)

Конвекция-вид передачи внутренней энергии механическим перемещением нагретых частей жидкостей и газов.

Примеры: обогрев помещения системой центрального отопления, проветривание помещения.

Способ передачи тепла от нагретого тела к окружающим его телам электромагнитными волнами без конвекционных потоков называется излучением.

Тела со светлой поверхностью плохо поглощают энергию излучения и медленно нагреваются и медленно остывают.

Чем выше температура излучающего тела, тем больше может изменятся его внутренняя энергия.

Энергия от Солнца к Земле передаётся при помощи излучения.

4. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЁМКОСТЬ.

Количеством теплоты (Q)–называется то изменение внутренней энергии тела, которое происходит при теплопередаче. [Q]=1Дж.

Физическая величина, показывающая какое количество теплоты требуется для изменения температуры вещества массой 1 кг. на 1⁰С, называется удельной теплоёмкостью. с–удельная теплоёмкость. [c]=1Дж/кг⁰С.

Чтобы подсчитать количество теплоты необходимое для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении, нужно удельную теплоёмкость вещества умножить на массу m тела и на разность температур.

Q_н=cm(t₂-t₁)=cmt, t₁-начальная температура (^оС), t₂-конечная температура (^оС), t – изменение температуры (^оС).

Если t₂-t₁›0 внутренняя энергия увеличивается и тело нагревается.

Если t₂-t₁‹0 внутренняя энергия уменьшается и тело охлаждается.

4. ЭНЕРГИЯ ТОПЛИВА. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА .

Удельная теплота сгорания топлива q показывает, какое количество теплоты выделится при полном сгорании топлива массой 1 кг. q-удельная теплота сгорания топлива. [q]=1Дж/кг

Количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива, равно произведению удельной теплоты сгорания на массу сгоревшего топлива.Q_сг=qm

4. ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕ.

Плавление называется процесс перехода вещества из твёрдого состояния в жидкое.

Отвердеванием называется процесс перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое.

Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления.

Температура, при которой вещество отвердевает, называется температурой отвердевания.

Вещества отвердевают при той же температуре, при которой плавятся.

Примеры: вода замерзает при 0⁰С, лед плавится при 0⁰С., железо плавится и отвердевает при температуре1539⁰С.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить веществу массой 1 кг., находящемуся при температуре плавления для его перехода из твердого состояния в жидкое, называется удельной теплотой плавления.

λ-удельная теплота плавления. [λ]=1 Дж/кг.

Чтобы вычислить количество теплоты, необходимое для плавления или отвердевания вещества массой m, взятого при его температуре плавления, нужно удельную теплоту плавления умножить на массу тела. Q_пл=λm

7.ПАРООБРАЗОВАНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ.

Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, называется парообразованием.

Переход вещества из газообразного состояния в жидкое, называется конденсацией.

Процесс парообразования, происходящий с поверхности тела, называется испарением.

Скорость испарения зависит:

-от температуры: чем выше температура, тем быстрее происходит испарение.

-от рода жидкостей: «летучие жидкости», такие, например, как бензин, ацетон, испаряются быстрее, чем вода или молоко.

-от площади свободной поверхности жидкости: чем больше площадь поверхности испаряющейся жидкости, тем быстрее происходит испарение. Вода, налитая в блюдце, испарится быстрее такого же количества воды находящегося в чашке.

-от концентрации пара над жидкостью: в ветреную погоду дождевые лужи высыхают быстрее.

Испаряться и превращаться в пар могут не только жидкости, но и твердые тела, минуя жидкое. Этот процесс называется сублимацией.

Примеры: испаряется лед, поэтому бельё высыхает и на морозе. Испаряется нафталин, поэтому мы чувствуем его запах.

8.КИПЕНИЕ. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПАРООБРАЗОВАНИЯ.

Кипением называется процесс парообразования, который происходит по всему объёму жидкости.

Температура кипения – это температура, при которой давление насыщенных паров жидкости равно наружному.

Температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. На уровне моря температура кипения воды составляет примерно 100⁰С, а на вершине Эвереста – всего 72⁰С. При нормальном атмосферном давлении (10⁵ Па) температуры кипения у различных жидкостей различны.

Удельная теплота парообразования – это количество теплоты, которое затрачивается на испарении жидкости массой 1 кг при температуре кипения.

L – удельная теплота парообразования и конденсации. [L]=1Дж/кг.

Чтобы определить величину изменения внутренней энергии при парообразовании (конденсации), следует умножить удельную теплоту парообразования на массу жидкости, находящейся при температуре кипения. Q_пар=Lm

9.ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА.

Влажность – содержание водяных паров в воздухе.

Абсолютная влажность- количество пара, выраженное в килограммах и содержащееся в 1 м³ при данной температуре.

Относительная влажность- отношение абсолютной влажности к плотности насыщенного пара при данной температуре. φ=ρ/ρ₀*100%

Психрометр - прибор для измерения относительной влажности воздуха

(с греч. психрос - холодный). Он состоит из сухого и влажного термометров. По разности температур термометров составлена специальная психрометрическая таблица для определения влажности воздуха.

Влажность воздуха также можно измерить с помощью волосяного гигрометра и используя металлический гигрометр по точке росы.

Парциальное давление – это давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали.

Измерение влажности необходимо в полиграфических, ткацких, кондитерских, фармакологических и других производствах для осуществления правильного режима технологического процесса. Так же влажность воздуха всегда контролируют в космических кораблях, в барокамерах, в хранилищах и залах музеев.

10. РАБОТА ГАЗА ПРИ РАСШИРЕНИИ.

Термодинамический процесс- переход термодинамической системы из одного равновесного состояния в другое равновесное состояние.

Квазистатическими называют процессы, состоящие из последовательности равновесных состояний.

Внутренняя энергия тела может изменяться, если действующие на него внешние силы совершают работу А^΄. В то же время силы давления, действующие со стороны газа на поршень, совершают работу А= –А^΄. Работа газа выражается формулой: А = р^.∆V, где А - работа газа (Дж), р – давление газа (Па),

∆V=(V₂–V₁)–изменение объёма газа (м³)

11.ПЕРВОЕ И ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ В ТЕРМОДИНАМИКЕ.

∆U = A΄ + Q – Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними силами.

Q= ∆U+A–Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершением работы над внешними телами (первый закон термодинамики).

Невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара (второй закон термодинамики по Кельвину).

Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путём теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой.(второй закон термодинамики по Клаузису)

Q_{1 +} Q₂ + … + Q_n = 0 - уравнение теплового баланса.

12.ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ. КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ.

Тепловой двигатель–это устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу.

Виды тепловых двигателей: двигатель внутреннего сгорания (карбюраторный и дизельный), газовая и паровая турбины, реактивный двигатель.

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу.

,

Схема теплового двигателя

КПД тепловой машины всегда меньше единицы (η<1) или 100%. Например: КПД карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя порядка 40%.

13.ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА.

Использование тепловых двигателей пагубно влияет на состояние окружающей среды: в результате деятельности человека расходуется большое количество кислорода, при этом в атмосфере увеличивается содержание углекислого газа. Возникает так называемый «парниковый эффект», что приводит к глобальному потеплению климата планеты.

Кроме того, в атмосферу попадают в результате сжигания топлива оксиды серы и азота, которые при соединении с атмосферными водяными парами образуют капельки серной и азотной кислоты, в результате чего выпадают кислотные дожди.